Νέα υλικά αυξάνουν τη διάρκεια ζωής σε μη επαναφορτιζόμενες μπαταρίες

Νέα υλικά αυξάνουν τη διάρκεια ζωής σε μη επαναφορτιζόμενες μπαταρίες

Οι βηματοδότες και άλλες ιατρικές συσκευές, καθώς και τα drones μεγάλων αποστάσεων αλλά και οι απομακρυσμένοι αισθητήρες, θα μπορούσαν να απαιτήσουν λιγότερες αντικαταστάσεις μπαταριών μέσω της χρήσης αυτών των υλικών.

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Τις τελευταίες δεκαετίες, η έρευνα γύρω από τις μπαταρίες έχει επικεντρωθεί σε μεγάλο βαθμό στις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε οτιδήποτε, από ηλεκτρικά αυτοκίνητα έως φορητές ηλεκτρονικές συσκευές και έχουν βελτιωθεί σημαντικά όσον αφορά την οικονομική προσιτότητα και τη χωρητικότητα τους. Ωστόσο, οι μη επαναφορτιζόμενες μπαταρίες έχουν δει μικρή βελτίωση κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, παρά τον κρίσιμο ρόλο τους σε πολλές σημαντικές χρήσεις, όπως οι εμφυτεύσιμες ιατρικές συσκευές.

Ερευνητές στο MIT εργάζονται πάνω στη βελτίωση της ενεργειακής πυκνότητας των μη επαναφορτιζόμενων μπαταριών. Υποστηρίζουν δε ότι η νέα προσέγγιση που ακολουθούν, θα μπορούσε να επιτρέψει έως και 50% αύξηση της ωφέλιμης ζωής ή αντίστοιχη μείωση μεγέθους και βάρους για μια δεδομένη δυναμικότητα ισχύος ή ενεργειακής χωρητικότητας, βελτιώνοντας παράλληλα την ασφάλεια της μπαταρίας, με μικρή ή καθόλου αύξηση στο κόστος.

Τα νέα ευρήματα, τα οποία περιλαμβάνουν την αντικατάσταση του συμβατικού ηλεκτρολύτη της μπαταρίας με ένα υλικό που είναι ενεργό για την παροχή ενέργειας, περιγράφηκε σε δημοσίευση στο περιοδικό Proceedings of the National Academy of Sciences, και αποτελεί μια ερευνητική συνεργασία του Haining Gao, Kavanaugh Postdoctoral Fellow στο MIT, του μεταπτυχιακού φοιτητή Alejandro Sevilla, του αναπληρωτή καθηγητή μηχανολογίας Betar Gallant και τεσσάρων άλλων ερευνητών από το MIT και το Caltech.

Η αντικατάσταση της μπαταρίας σε ένα βηματοδότη ή κάποιο άλλο ιατρικό εμφύτευμα απαιτεί χειρουργική αντιμετώπιση, επομένως οποιαδήποτε αύξηση της χρόνου ζωής των μπαταριών των συσκευών αυτών θα μπορούσε να έχει σημαντικό αντίκτυπο στην ποιότητα ζωής του ασθενούς, λέει ο Gallant. Οι μη επαναφορτιζόμενες μπαταρίες χρησιμοποιούνται για τέτοιες βασικές εφαρμογές επειδή μπορούν να παρέχουν περίπου τρεις φορές περισσότερη ενέργεια για ένα δεδομένο μέγεθος και βάρος σε σχέση με τις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες.

Αυτή η διαφορά χωρητικότητας, λέει ο Gao, καθιστά τις μη επαναφορτιζόμενες μπαταρίες «κρίσιμες για εφαρμογές όπου η φόρτιση δεν είναι δυνατή ή δεν είναι πρακτική». Τα νέα υλικά λειτουργούν στη θερμοκρασία του ανθρώπινου σώματος, επομένως θα ήταν κατάλληλα για ιατρικά εμφυτεύματα.

Εκτός από τις εμφυτεύσιμες συσκευές, με περαιτέρω ανάπτυξη ώστε οι μπαταρίες να λειτουργούν αποτελεσματικά και σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, οι εφαρμογές των ματαριών θα μπορούσαν επίσης να περιλαμβάνουν αισθητήρες σε συσκευές παρακολούθησης φορτίων, για παράδειγμα για να διασφαλιστούν ότι οι απαιτήσεις θερμοκρασίας και υγρασίας σε τρόφιμα ή φάρμακα διατηρούνται στα επιθυμητά επίπεδα σε όλη τη διάρκεια της μεταφοράς. Επίσης, οι μπαταρίες αυτές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε τηλεχειριζόμενα εναέρια ή υποβρύχια οχήματα που πρέπει να παραμείνουν σε ετοιμότητα χρήσης για μεγάλες περιόδους.

Οι μπαταρίες ενός βηματοδότη συνήθως διαρκούν από πέντε έως δέκα χρόνια ή και λιγότερο εάν απαιτούν συχνές λειτουργίες υψηλής τάσης, όπως η απινίδωση. Ωστόσο, για τέτοιες μπαταρίες, λέει ο Gao, η τεχνολογία θεωρείται ώριμη και «δεν υπήρξαν σημαντικές καινοτομίες στη θεμελιώδη χημεία τους τα τελευταία 40 χρόνια».

Το κλειδί για την καινοτομία της ερευνητικής ομάδας είναι ένα νέο είδος ηλεκτρολύτη, το υλικό που βρίσκεται ανάμεσα στους δύο ηλεκτρικούς πόλους της μπαταρίας, την κάθοδο και την άνοδο, και επιτρέπει στους φορείς φορτίου να περνούν από τη μια πλευρά στην άλλη. Χρησιμοποιώντας μια νέα υγρή φθοριωμένη ένωση, η ομάδα διαπίστωσε ότι μπορούσαν να συνδυάσουν ορισμένες από τις λειτουργίες της καθόδου και του ηλεκτρολύτη σε μια ένωση, που ονομάζεται καθολύτης (catholite). Αυτή η ένωση επιτρέπει την εξοικονόμηση μεγάλου μέρους του βάρους των τυπικών μη επαναφορτιζόμενων μπαταριών, λέει ο Gao.

Όπως εξηγεί ο Gallant, ενώ υπάρχουν άλλα υλικά εκτός από αυτή τη νέα ένωση που θεωρητικά θα μπορούσαν να λειτουργήσουν σε παρόμοιο ρόλο καθολύτη σε μια μπαταρία υψηλής χωρητικότητας, αυτά τα υλικά έχουν χαμηλότερες εγγενείς ηλεκτρικές τάσεις που δεν ταιριάζουν με αυτές του υπόλοιπου υλικού σε μια συμβατική μπαταρία βηματοδότη, ένας τύπος γνωστός ως CFx.

Επειδή η συνολική έξοδος ισχύος από την μπαταρία δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερη από αυτή του ηλεκτροδίου με την μικρότερη ισχύ, η επιπλέον χωρητικότητα τελικά δεν θα αξιοποιηθεί λόγω της αναντιστοιχίας τάσης. Ωστόσο, με το νέο υλικό, «ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα των φθοριούχων υγρών είναι ότι η τάση τους ευθυγραμμίζεται πολύ καλά με αυτή του CFx», λέει ο Gallant.

Σε μια συμβατική μπαταρία CFx , ο υγρός ηλεκτρολύτης είναι απαραίτητος επειδή επιτρέπει στα φορτισμένα σωματίδια να περάσουν από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο. Αλλά «αυτοί οι ηλεκτρολύτες είναι στην πραγματικότητα χημικά ανενεργοί, επομένως έχουν ουσιαστικά άχρηστο βάρος», λέει ο Gao. Αυτό σημαίνει ότι περίπου το 50% των βασικών εξαρτημάτων της μπαταρίας, κυρίως ο ηλεκτρολύτης, είναι ανενεργά υλικά. Αντίθετα, με το υλικό φθοριούχου καθολύτη, η ποσότητα του ανενεργού βάρους μπορεί να μειωθεί σε περίπου 20% του αρχικού.

Οι νέες μπαταρίες παρέχουν επίσης βελτιωμένες επιδόσεις σε θέματα ασφάλειας σε σχέση με άλλα είδη προτεινόμενων χημικών ουσιών που χρησιμοποιούν τοξικά ή/και διαβρωτικά υλικά καθολύτη, λέει ο Gallant. Και οι προκαταρκτικές δοκιμές έχουν δείξει μια σταθερή διάρκεια ζωής για περισσότερο από ένα χρόνο, ένα σημαντικό χαρακτηριστικό για τις μη επαναφορτιζόμενες μπαταρίες, λέει.

Μέχρι στιγμής, η ομάδα δεν έχει ακόμη επιτύχει, σε πειραματικό επίπεδο, την πλήρη βελτίωση κατά 50% στην ενεργειακή πυκνότητα που προβλέπεται από τη θεωρητική τους πρόβλεψη. Τα αποτελέσματα δείχνουν βελτίωση της τάξεως του 20%, η οποία από μόνη της θα ήταν ένα σημαντικό κέρδος για ορισμένες εφαρμογές, λέει ο Gallant.

Επίσης, ο σχεδιασμός του ίδιου του κελιού δεν έχει ακόμη βελτιστοποιηθεί πλήρως, αλλά οι ερευνητές μπορούν να προβλέψουν την απόδοση του κελιού με βάση την απόδοση του ίδιου του ενεργού υλικού. «Μπορούμε να δούμε ότι η προβλεπόμενη απόδοση σε επίπεδο κελιού, όταν βελτιστοποιηθεί πλήρως, μπορεί να φτάσει σε αύξηση περίπου 50% σε σχέση με ένα κελί CFx», υποστηρίζει. Η επίτευξη αυτού του επιπέδου πειραματικά είναι ο επόμενος στόχος της ομάδας.

Ο Sevilla, διδακτορικός φοιτητής στο τμήμα μηχανολογίας, θα επικεντρωθεί στην έρευνα αυτή το επόμενο έτος. «Εντάσσομαι στο έργο για να προσπαθήσω να κατανοήσω ορισμένους από τους περιορισμούς του και γιατί δεν μπορέσαμε να επιτύχουμε την πλήρη ενεργειακή πυκνότητα που έχει προβλεφθεί θεωρητικά», λέει. «Ο ρόλος μου είναι να καλυφθούν τα γνωστικά κενά όσον αφορά στην κατανόηση της υποκείμενης αντίδρασης».

Ένα μεγάλο πλεονέκτημα του νέου υλικού, λέει ο Gao, είναι ότι μπορεί εύκολα να ενσωματωθεί στις υπάρχουσες διαδικασίες κατασκευής μπαταριών, σαν απλή αντικατάσταση ενός υλικού με ένα άλλο. Οι προκαταρκτικές συζητήσεις με τους κατασκευαστές επιβεβαιώνουν αυτή την δυνητικά εύκολη αντικατάσταση, λέει ο Gao.

Η βασική πρώτη ύλη, που χρησιμοποιείται ήδη για άλλους σκοπούς, είναι ήδη διαθέσιμη σε επίπεδο μαζικής παραγωγής και το κόστος της είναι συγκρίσιμο με αυτό των υλικών που χρησιμοποιούνται σήμερα σε μπαταρίες CFx. Συνεπώς, το κόστος των μπαταριών που χρησιμοποιούν το νέο υλικό είναι πιθανό να είναι συγκρίσιμο με το αντίστοιχο των υπαρχουσών μπαταριών, λέει.

Η ομάδα έχει ήδη υποβάλει αίτηση για δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για τον καθολύτη και αναμένει ότι οι ιατρικές εφαρμογές των νέων μπαταριών είναι πιθανό να είναι οι πρώτες που θα γίνουν διαθέσιμες εμπορικά, ίσως με ένα πρωτότυπο πλήρους κλίμακας έτοιμο για δοκιμή σε πραγματικές συσκευές εντός περίπου ενός έτους.

Στη συνέχεια, άλλες εφαρμογές θα μπορούσαν πιθανότατα να επωφεληθούν από τα νέα υλικά, όπως έξυπνοι μετρητές νερού ή αερίου των οποίων τα δεδομένα μπορούν να συλλεχθούν από απόσταση ή συσκευές όπως οι αναμεταδότες EZPass, αυξάνοντας τη διάρκεια ζωής τους, λένε οι ερευνητές. Η εφαρμογή σε ιπτάμενα drones ή υποθαλάσσια οχήματα θα απαιτούσε μεγαλύτερη ισχύ και επομένως μπορεί να χρειαστεί περισσότερος χρόνος για να γίνει η σχετική ανάπτυξη.

Άλλες χρήσεις θα μπορούσαν να περιλαμβάνουν μπαταρίες για εξοπλισμό που χρησιμοποιείται σε απομακρυσμένες τοποθεσίες, όπως εξέδρες γεωτρήσεων για πετρέλαιο και φυσικό αέριο, συμπεριλαμβανομένων συσκευών που αποστέλλονται στα γεωτρητικά πηγάδια για την παρακολούθηση των συνθηκών.

Πηγή: mit.edu

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR
foolwo rawmathub.gr on Google News
Image

Έγκυρη ενημέρωση για την αξιακή αλυσίδα των raw materials

NEWSLETTER